JPH07508205A - 改良された流体分別装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された流体分別装置 発明の背景 本願は、１９８９年１１月２０日に米国特許出願第０７／４３８．７８６号とし て出願された現在放棄された出願の継続出願である１９９１年２月２５日にチャ ールズ　Ｃ，ヒルが出願した米国特許出願第０７／６６０゜１７７号の３５Ｕ、 Ｓ、Ｃ，５Ｓ１２０及び３６５を基礎として優先権を主張した一部継続出願であ る。

１、発明の分野 本発明は、流体混合物の特定の成分又は汚染物を単一の流体源から除去すること によって流体製品を精製するための改善された装置及び方法に関する。本発明は 、環境に応じてガス及び液体の分離で有効であるため、できるだけ流体という用 語を使用する。この用語はガス及び液体を含むものと理解されたい。本発明は、 本実施例では、呼吸の補助といった医療的使用に関するが、ゼオライト及び篩材 料を使用する例えば精油プロセスのような他の場合でも使用できる。

２、関連技術の説明 孔径が均等な選択的吸着材分子篩材料を流体成分の分離で使用することは、ユニ オンカーバイド社で行われた最初の産業的研究の努力で約１９４８年から行われ てきた。バラ−が１９４５年に行った天然産出のゼオライト上へのガスの吸着及 びこのゼオライトの分子篩としての挙動の最初の実験的観察（Ｊ、化学工業学会 誌、６４：１３０）に基づいて、ミルトン及びユニオンカーバイドの協力者が最 初の工業ゼオライト分子篩を１９４８年に合成しく１９６８年ロンドンで発行さ れた化学工業学会誌の第１９９頁の、ミルトンの分子篩）、これらは１９５４年 に試験的に販売された。

流体混合物の吸着による分離の多くは、吸着質で飽和した後、吸着材を再生する ことを必要とした。多くの分離作業は固定床カラムで行われるため、相互連結さ れ且つ相互に関連して作動する弁及びスイッチの複雑なネ・ノドワークを必要と する複雑な機構が吸着サイクル及び脱着サイクルを実施するために考案された。

これは、再生を容易にするためである。

上述の装置のような高価で精巧な装置は、有能な技術者が装置を常に監視する大 規模な商業的作動については適している。しかしながら、比較的少量の酸素を患 者に、特に家庭で、供給する問題に対処する上では、大きさ、作動の容易さ、及 び更に重要なことには信頼性が主要な関心事である。

医療及び産業の用途で酸素を空気から分離するための２床式圧力スイング吸着器 に合成分子篩を使用することは、１９７０年代初頭に商業的に引き合うようにな り、現在では、多くの製造者がこのような装置を製造している。

現在利用可能な代表的な二カラムシステムの構成要素は次の通りである。

空気コンプレッサー、 熱交換器、 空気受は即ちサージタンク、 二つの分子篩チャンバ、 圧力降下オリフィス、 製品タンク（酸素受け）、 四方ソレノイド又は三方ソレノイドで作動される流れ方向制御弁（又は一つの四 方弁及び一つの二方弁）、弁用の電気式又は電子式のシーケンスタイマー制御装 置、 酸素製品流用の減圧調整器、 吸気消音器及び排気消音器、 吸気フィルタ及び製品フィルタ、 酸素製品流用の調節自在の流量制御弁、及び構成要素に流入する又は構成要素か ら流出する流体流れを導くための連結配管及び継手。

以上の構成要素のリストは、代表的な医療用酸素濃縮器（即ち呼吸補助システム ）が複雑であり、協働して作用する相互連結された部品からなるネットワークを 必要とするということを明瞭に示している。この複雑さは、信頼性の低下、構成 要素の故障、又は、連結漏れの発生の原因となり、装置全体として生命維持機能 を実行できなくする。

コンプレッサーの出力を２カラムシステムで時間に対してプロットすると、「鋸 歯状」のパターンが明らかになる。このパターンは、コンプレッサーの弁及びベ アリングの寿命を短くする原因となり、このような変動を制限するため、空気受 は即ちサージタンクを必要とする。

２力ラム吸着器のこの周期的流れは、更に、製品ガス流の圧力変動を大きくし、 小分は導管に減圧調整器を使用することを必要とする。更に、突然の大きな圧力 変化は大規模な消音を必要とする。

更に、通院患者に移動の自由及び良好な生活水準を提供するため、補足的酸素供 給システムは、信頼性が高く、経済性に優れ、コンパクトで可搬式で軽量でなけ ればならない。本発明は、これらの要求に応えるシステムを提供する。

発明の概要 本発明は、圧力スイング分子吸着で流体混合物を分別するための改善された装置 を提供する。これらの装置は、複数の吸着器カラム及び精製済製品保持タンクと して機能するチャンバを有する。

これらの装置の心臓部は、各カラムを順次加圧し排気するための独特の回転分配 器弁組立体である。この組立体によって、カラムのうちの一つを加圧していると きに、これと同時にこのようなカラムのうちの別のカラム内の吸着材をパージす ることができる。

更に、本発明は、流体混合物の流れから特定の流体を選択的に吸着することによ って、又は単一の流れがら汚染流体成分を選択的に吸着することによって、流体 成分を除去するだめの改善されたプロセスに関する。

加圧された流体混合物の来入流を、本明細書中に開示した変形例の回転分配器弁 の回転部材で、除去されるべき流体又は汚染流体について選択的な吸着材が詰め 込まれた複数のカラムに順次分配する。汚染物は吸着材によって保持され、所望 の製品流体が通る。これと同時に、低圧の製品流体を加圧されているカラム以外 のカラムに還流し、汚染物を脱着し、システムがら出す。

新規で、小型の、滑らかに作動する、簡単で且つ信頼性の高い、患者に補足的酸 素を提供するための装置を、本発明の例示の実施例として以下に説明する。本明 細書中に説明した装置を賢明に使用することによる、改善された流体混合物分別 方法もまた提供される。

図面の簡単な説明 第１図は、商業的に入手できる従来技術の代表的な２力ラム吸着材分別システム の概略図である。

第２図は、本発明の流体性別器呼吸補助システム全体の一実施例の概略図である 。

第３図は、第２図に示す装置の側面図である。

第４図は、第３図の４−４線での平面図である。

第５図は、第４図の５−５線での拡大断面図である。

第６図は、第５図の６−６線での断面図である。

第７図は、第２図に示す実施例のロータシューの一部を切除して示す平面図であ る。

第８図は、第７図の８−８線での断面図である。

第９図は、第２図に示す実施例のポートプレートの平面図である。

第１０図は、第９図の１０−１０線での断面図である。

第１１図は、ユニットの変形例の形体の側面図である。

第１２図は、第１１図の１２−１２線での断面図である。

第１３図は、第１２図の１３−１３線での拡大断面図である。

第１４図は、第１３図の１４−１４線での断面図である。

第１５図は、第１３図の１５−１５線でのロータシューの下側の図である。

第１６図は、第１５図の１６−１６線での断面図である。

第１７図は、第１２図の１７−１７栓での拡大断面図である。

実施例 第１図は、代表的な、商業的に入手できる、患者用の２力ラム式小型酸素濃縮器 を概略に示す。代表的な医療用酸素濃縮器は、相互連結され且つ相互作用する多 数の部品でできた複雑な機械であるということがこの概略図から理解されよう。

このマニホールドの複雑さに伴って、信頼性が低下し、即ちいずれかの構成要素 が故障する機会が増え、装置全体の生命維持機能を不能にしてしまうおそれがあ る。

瞳かに少ない部品しか必要としない独特の設計を持つ本発明の一実施例を、混合 流体（この場合には空気）が分別手順を通って移動するときの容積を辿って説明 する。

第２図では、一対のフィルタ、即ち直列に接続された一つの塵埃フィルタ１及び 一つの高効率粒子アレスタ（ＨＥＰＡ）フィルタ２を通して周囲空気をコンプレ ッサー３て吸い込む。空気は、圧縮され、導管４内で熱交換器５に圧送する。（ 第１図及び第２図に示すフィルタは、コンプレッサーの前でなくコンプレッサー の後に置いてもよいということは理解されるべきである。）熱交換器は、空気を 流体分別器のボート６に供給する前に圧縮熱の大部分を除去する。熱交換器の冷 却空気は、コンプレッサーに取り付けられたファンによって与えられるため、別 のモータ及びエネルギ源を必要としない。分別器の吸着器カラムで窒素の大部分 を除去した後、酸素が濃厚な画分を出口ボート７を通して小分は導管に取り出し 、この際、脱着した窒素を酸素が濃厚な製品の残りでノく一部し、排気ポート８ を通して出す。

第３図の流体分別器は、吸着器カラムからなるクラスタ又はアレイがそのｌＸウ ジング内に人っている製品保持タンク９、回転弁分配器１０、及び歯車モータ１ １を有する。

第３図の４−４線に沿った第４図は、クランブノくンド１２で保持タンクに取り 付けられた回転分配器弁組立体の入口ポート６、出口ボート７、及び排気ポート ８に対する保持タンク内のカラム２２のアレイの構成を示す。

この場合には、１２個のカラムが示しであるが、二つ又はそれ以上の任意の数で あるのがよい。

第４図の５−５線での拡大断面図である第５図に示す回転分配器弁は、ポート及 びチャンネルを備えた三部品マニホールド１４と、ポートを備えたロータシュー １８及びカバープレート４６を持つロータ１６とを有し、このロータ１６は、歯 車モータ１１（第３図参照）によって毎分約２回転で駆動される。ロータ１６は 、周方向ボールベアリングユニット１７内で回る。円錐ディスク即ちベルビルば ね３５がカバープレート４６及びロータシュー１８を下方に押圧してこれらを所 定位置に固定する。

ロータ１６及びその関連構成要素は、マニホールド１４に取り付けられたカバー ２１によって包囲されて０る。

流体流れ方向を示す矢印を辿ると、三部品マニホールド１４は上区分１５を有し 、この上区分には、入口ボート６を通して流体流れを取り入れ、これを空気供給 通路３３を通してロータシュー１８の中央に配置された入口ポート１９内に導き 、次いで、ロータシューをポートプレート２０に配置された入口ボートの円形の アレイから半径方向に出る流体混合物をマニホールドの中央の周りに配置された カラムのアレイの各カラム２２に向かって導くようにポート及びチャンネルが設 けられている。これらのカラムの各々には、流体又は汚染物の特定の種類の分子 について選択的な吸着材２４（この場合にはゼオライト）からなる床が収容され ている。カラム内に詰め込まれた床は、底部にあるプレート２６及び頂部及び底 部にある有孔プレート２７によって所定位置に保持される。上側のプレート２７ にはばね２８が設けられている。

下側のプレートは、直径が経験的に決定される小さなオリフィス６０のような圧 力降下手段を各カラムの中央に有する。

クランプバンド１２でマニホールドの上半部に取り付゛けられた上カラムヘッダ プレート３０であるマニホールドの下半部は、流路用のカバーとして役立ち、そ の下側にカラムのアレイが取り付けられている。マニホールドのチャンネルは、 ガスケット又は封止用コンパウンドでシールされている。

マニホールドの上側に空気供給チャンネル３３の出口ボートと同心に設けられた 凹部と嵌合し、スロット及びキーで動かないようにされているボートプレート２ ０には、多数の孔が円形のパターンをなして等間隔に間隔を隔てられており、こ れらの孔は、マニホールドの個々のカラムへのチャンネルの入口ボートと同数で あり、これらの入口ボートの円形の分布と整合している。マニホールドの上面の ポートプレートの直ぐ内側には溝が機械加工されており、この溝には空気入口回 転シール３２が収容されている。ポートプレートは、適当な硬化材料で作られて いる。

回転分配器弁の他の主要構成要素は、ポートを備えたロータシュー１８を含む、 歯車及びモータで駆動されるロータ１６である（第５図、第６図、第７図、及び 第８図は、ロータ／シューの種々の特徴を示す）。ロータシューは、ポートプレ ートを構成する適当な硬化材料とともに使用するのに適していることが当該技術 分野で周知の材料で作られており、ばね負荷された手段即ち圧力補償手段でロー タプレート上の所定位置に保持される。添付図面には、加えられた圧力に対して 反作用を加える円錐形圧力補償ばね即ちベルビル圧力補償ばねが示しである。こ の目的で小さなコイルばねからなる構成を使用してもよい。

ロータシューには三つのチャンネルが設けられている。

一つのチャンネルは、中央流体入口ボート１９で始端し、円弧状スロット３６内 に半径方向に延びる、ポートプレートに円をなして位置決めされたポートのうち の幾つかに繋がる導管として役立つ加圧チャンネル即ち空気供給通路３４である 。ロータシューが回転するとき、スロットに次々に現れるポートの各々が加圧さ れ、各ポートはスロットの他端でスロットから外れ、減圧される。全システム圧 力は全ての中間ポートで維持される。第５図の６−６線での断面図である第６図 は、ロータシュー１８の円弧状空気供給ボート即ちスロット３６とポートプレー トの受け入れポート３８との関係、並びに空気供給チャンネル３１のカラム２２ の各々に対する関係を示す。

別のチャンネルでは、カラムから脱着して出た還流された流体不純物を幅広の排 気ポート４０が収集し、これらを排気出口８（第５図参照）を介し「消音器」を 通して大気中に出す。

第７図は、ロータシューの一部を切除した平面図である。この図には幾つかの他 の特徴が示しである。脱着されたカラムは、排気スロット４０を通して上方に通 気され、ロータシューのカバープレート４６の通気部４２を通り、ロータ空所空 間内に移動し、排気ポート８（第５図参照）を通って出る。

第３チヤンネルは、サイクルの加圧相と脱着相との間の移行部にある二つカラム 間の導管として役立つ横ポートチヤンネル４４である。このチャンネルの目的は 、吸着サイクルと脱着サイクルとの間を移行中のカラムの圧力を迅速に等しくす ることである。この特徴により、製品の流量が大きい場合の製品の濃度が高めら れる。

パージ流量は、パージ流体がカラムの再生中に吸着とは逆方向に流れる流量であ る。再生中に窒素を最大に除去する場合に最適のパージ流量が得られる。パージ 流量が非常に大きい場合には、床内の圧力が大気圧以上になり、その結果、脱着 効率が低下する。ロータシューの横ポートチャンネルにより、カラムが脱着サイ クルに入る前にカラムの床で圧力降下を生せしめる。これによって、減圧が非常 に迅速に起こること及びかくして初期パージ流が過度に高くなること回避する。

この効果は簡単な機器で容易に計測できるが、分子レベルでのその基礎は解明さ れていない。

第８図は、ロータシュー１８の加圧チャンネル３４、横ボートチャンネル４４、 及び排気チャンネル４０の経路を示す第７図の８−８線での断面図である。

第９図は、アレイをなしたカラムの各々に続くチャンネルの円をなして配置され たポートの位置を示すポートプレートの平面図であり、第１０図は、第９図の１ ０−１０線での断面図である。

第１１図は、本発明の装置の変形例を示し、その１２−１２線での断面を第１２ 図に示す。第１２図は、第４図に示すカラム２２と同様の吸着器カラムからなる アレイを示す。第４図の実施例と同様に、１２個のカラムが第１２図の実施例に 示す好ましい数であるが、二つ又はそれ以上の任意の数であるのがよい。しかし ながら、吸着器カラムについて長さの直径に対する比は６：１以上であるのが好 ましく、これが実際に長さに加えられる唯一の制限であるということに着目され たい。この比では、を使用せずに吸着材をカラム内に保持できる。しかしながら 、吸着材が入口オリフィス及び出口オリフィスを通ってカラムから出ていかない ようにするため、少なくとも一つの濾材層をカラムの各端に設けなければならな い。

キャップ１６５が前記カラムの各々の先端に機械的に着座させである。製品タン ク１３０（第１３図参照）への出口オリフィス（図示せず）がキャップ１６５を 貫通している。

第１２図の１３−１３線での拡大断面図である第１３図に示す回転分配器弁は、 １つ又はそれ以上のアルミニウム層から形成されたマニホールド７０を有する。

マニホールドのこれらの層は、穿孔され、及び／又はダイ成形又はエンボス加工 が施され、複数の層を使用する場合には、積み重ねられた形体でシール（積層化 又はこれと等価の手段によって）されて流体チャンネルを形成する。

第１３図には四つのアルミニウム層（７４，７５，７６、及び７７）が示しであ るが、軽量で剛性で密度の低い任意の材料（ＡＢＳ樹脂プラスチック）からなる 一つ又はそれ以上の層を使用してもよい゛ということは理解されよう。

回転弁は、ベアリングハウジング８１内及びロータシュー８５内に回転自在に保 持されたロータシャフト８０を更に有する。ロータシャフト８０の回転は、その 周囲１；Ｏ−リング９２が存在することによって可能となっている。ロータシャ フト８０は、モータシャフト１３５を介して歯車モータ９０によって毎分１回転 で駆動される。

第１３図に示すように、前記ロータシャフト８０は、線９１の上側では同心に形 成されており、線９１の下側では偏心して形成されている。偏心形状は、ロータ シャフト８０の側壁８０Ａの横方向厚さを側壁８０Ｂに関して拡大することによ って形成される。

ロータシュー８５は、ロータシャフト８０か着座する円形のチャンバを構成する 盛り上がった側壁８６及び８７を持つ、ポートを備えたディスク（第７図に示す ロータシュー１８と構造及び構成が同様である）からなる。

圧縮ばね９３は、シャフト及びシューのシールを助け、かくして装置の不作動時 にもシールを維持し、シャフト及びシューに加わ８磨耗を補償する。圧力ッくラ ンス式シールの形成にこの形体を使用すると、ロータを回転させるのに必要なト ルク、及びかくしてシステムを作動させるのに必要なエネルギが、従来技術のシ ステム又は第３図乃至第１０図の実施例で必要とされるよりも小さくなる。　ロ ータシャフトとシューとの間の圧力バランス式シールは、ロータシューの表面上 にロータシューとロータシャフトとの間で装置の作動中に及ぼされる全圧力、及 びロータシャフトの直径の関数である。作動中、吸着の開始時の流体入口ポート １０９での流体圧力と、ロータシャフトの直径（線９１の下側）の二乗とπ／４ の積が、シャフトとシューとの間にシールを形成するために及ぼされる力に等し い。シャフト及びシューは、この関係により、流体入口ポート１０９での流体圧 力が変化しても互いに関してシールされ且つバランスのとれた状態にある。ロー タシャフト８０とロータシュー８５との間の界面を加圧して圧力バランス式シー ルを維持するのを助けるのに役立つ通路（図示せず）がポート１０９がら前記界 面まで延びているということに着目されたい。

更に、この装置は低騒音設計になっている。第１３図に示すように、前記低騒音 設計は、内面及び外面を有する好ましくは可撓性プラスチックで形成されたマフ ラーハウジング１００からなり、このマフラーハウジングは、マニホールド７０ 上にスナップ嵌めしてマニホールド及び回転弁分配器のカバーを形成する。低騒 音設計は、装置内に配置された音響フオーム又はこれと等価の音響減衰材料製の 部品を以下の通りに更に有する。参照番号１０１では、前記フオームは、一つ又 はそれ以上の部品をなしてマフラーハウジング１００の内面の形態で一致してい る。参照番号１０２では、音響フオームがベアリングハウジング８１とマニホー ルド７０との間で垂直に配置しである。前記フオーム１０２は、フオーム１０２ とボートプレート１０５との間にストップ１０３を構成するように形成されたマ ニホールド７０の層７４の一部によって所定位置に保持されるのがよい。

作動では、回転弁分配器の作動により放出された音波がロータシューの排気ポー ト１１３及び１１４からシューと音響フオーム１０２との間の環状空気空間１５ ０内に漏れる。これらの音波はフオーム１０１及び１０２に当たることによって 散逸されず、最終的には、マフラーハウジング１００の壁のスロット１０７から 漏れる。従って、低騒音設計は、当該技術分野では、リアクティブ型マフラーで あると考えられる。

マニホールド７０の層７４に形成された四部にはボートプレート１０５が嵌まっ ている。ボートプレート１０５は、第５図に示す実施例のボートプレート２０と 構造が同じであるが、このボートプレートに設けられた、吸着器カラムへの入口 ポート（ボートはカラム毎に一つづつ設けられている）は任意の形状であるのが よく、これらのボートは、好ましくは楔形形状であり、最も好ましくは、空気供 給チャンネル１１６（第１４図参照）を介してカラム１１５に到るオリフィス１ ６０を取り囲むアーチの要石形状であるという点で第５図に示す実施例のボート プレート２０と異なっている。楔形形状入口ボートは、第１３図の１４−１４線 での断面図である第１４図の参照番号１０６に最もよく示しである。

第３図乃至第１０図に示す装置の実施例と同様に、流体は、ロータシューのチャ ンネルを介して吸着器カラムに通すため、ボートプレート１０５の入口ボート１ ０６に差し向けられる。第１５図に最もよく示しであるように、ロータシュー８ ５は、三組のチャンネルを有する。

チャンネルの第１の組は、加圧チャンネル１１０Ａ及び１１０Ｂからなり、これ らのチャンネルは、中央流体入口ポート１０９から対称な空気供給ボート１１１ 及び１１２まで夫々半径方向に延びている（二つの空気供給ボートが図示しであ るけれども、これらのボートが入口ポ−）１０９を中心として軸線方向に対称に 配置されている限り、二つ又はそれ以上の任意の数を使用してもよいということ は理解されよう）。流れの方向に関しては、流体は流体入口ボート１０９を通っ て空気供給ボート１１１及び１１２まで移動し、ボートプレート１０５のボー） １０６を通り、各ボート１０６から吸着器カラム（第１４図及び第１５図に断面 で示す）まで延びる空気供給チャンネル１１６（第１４図参照）まで移動する。

チャンネルの第２の組は、空気供給ボート１１１及び１１２と同数の少なくとも 二つの排気ポート（第１５図の１１３及び１１４）からなり、これらのボートも また入口ボート１０９に関して軸線方向に対称に配置されている。脱着しだカラ ムを排気ポート１１３及び１１４を通して環状空気空間１５０へ及び最終的には マフラーハウジング１００（第１３図参照）のスロット１０７を介して大気中へ 通気する。

チャンネルの第３の組は、少なくとも一対の対称な横ボートチャンネル１１８及 び１１９（空気供給ボート１１１及び１１２と同数である）である。これらのチ ャンネルは、吸着材と脱着相との間の移行中に第７図に示す単一の横ボートチャ ンネル４４で行われたのとほぼ同し方法でカラム間の圧力を急速に等しくするの に役立つ。

数、形状の対称性及び大きさがチャンネルの各組に共通であるため、非対称なボ ートを使用する場合に必要な予負荷ばねがなく、この場合には、空気供給ポート に存在する流体圧力と排気ポートに存在する流体圧力との間の変化により、作動 中、ロータシューがボートプレートに押し付けられる。

上述の相違点を除き、第１１図乃至第１７図の装置は第３図乃至第１０図の装置 と実質的に同じである。

酸素が濃厚な供給空気を患者に提供するための好ましい空気分別方法を以下に説 明する。

分別方法 ここで、本願では空気分別方法を説明するけれども、この方法は他の流体の分別 でも有効であるということを繰り返しておく。

第３図乃至第１０図の装置の実施例では、分別方法は以下の通りである。即ち、 圧縮空気がマニホールド（第６図参照）の入口ボート６に進入し、ロータシュー １８と連通したマニホールドの空気通路３３を通って導がれ、次いで円弧状の加 圧スロット３６に入り、これに続き、ロータシュー１８の回転中にボートプレー トの幾っがのボート３８に進入する。これらのボートを加圧すると、装置に取り 付けられたカラム２２にガス混合物が進入し、カラムを加圧し、及びカラムを通 って流れ、このカラムで分離が起こる。

次に第５図を参照すると、所望のガス、この場合には酸素、はゼオライト吸着材 床２４（例えばＵＯＰの篩諜が提供するのと同様である）を通って自由に移動す るが、望ましからぬガス及び蒸気（窒素にＣＯ２、Ｃｏ％Ｈ２０）は、それらの 分子の大きさ及び比較的高い圧力、及び低い温度のため、吸着材床の母材に保持 される。

精製された所望のガス製品（酸素）は、小さなオリフィス６０又はカラムの底の 流体に対して多孔質の栓のような圧力降下手段を通ってカラムの外に移動し、カ ラムを取り囲む製品タンク９に入る。酸素の比較的小さな部分が患者による使用 のため製品タンクから出口ポート７（第６図参照）の分配システム導管で出され 、別の比較的大きな部分は、はぼ大気圧の反対側のバンクのカラムに、カラムの 底に設けられた対応する小さな圧力降下／流体制限オリフィスを通って進入し、 加圧中、カラムの床を通ってガス流と反対方向に還流する。パージに使用される 製品の量と、分配システムによって送出された製品の量との比は、製品の所望の 純度に応じて変化する。

吸着サイクルよりも低い圧力での製品ガスのこの逆洗は、ゼオライト母材に捕捉 された汚染物、この場合には窒素、を除去し、各カラムの頂部を通して流し出し 、マニホールド１４、ボートプレート２０内に送り、及びロータシュー１８及び 排気出口８を通して消音器即ちマフラーを介して大気中に放出する。

第２図を再び参照すると、酸素が濃厚な取り出された製品ガスは、小分は導管４ ６内で流量計を備えた手動制御弁５０を通り、最終フィルタ（ＨＥＰＡ）５２を 通り、最終的に小分けされる。

第１１図乃至第１７図に示す実施例では、分別方法は次の通りである。即ち、圧 縮空気が入口導管１２０から入口ポート１２１　（第１４図及び第１７図参照） を通ってマニホールドに進入し、中央流体入口ポート１０９を介してロータシュ ー８５と連通したチャンネル７１を通って導かれる。次いで、空気は、半径方向 チャンネル１１０Ａ及び１１０Ｂを通って入口ポート１１１及び１１２に通る。

ロータシューがポートプレート１０５上で回転するとき、入口ボート１１１及び １１２が各々同数の複数の楔形形状ポート１０６と整合し、かくして入口ボ−） １１１及び１１２によって空気が供給される複数のポート１０６の各々と夫々対 応する空気供給チャンネル１１６を介して空気をカラム１１５に進入させること ができる。吸着は、カラム内で上述のように行われる。

精製済の製品は、第５図に示すオリフィス６０のような圧力降下手段を介してカ ラムを出た後、製品タンク１３０内に保持される。製品タンク１３０（第１１図 参照）は、製品タンク９（第５図参照）とは、タンク１３０の方が容積が小さく 、カラム１１５をそれらの先端、即ちマニホールド７０の反対側、を除いて取り 囲んでいないという点で異なっている。このように製品タンクが小さいため、（ 製品タンク１３０（第１１図参照）に関して）、システムの全体としての重量が 小さい。当業者には理解されようが、実際には、製品タンク１３０の大きさの減 少には限度がある。これは、原理的には、貯蔵の必要及び圧力調整器に対する必 要を小さくするのに十分にシステムの出力圧力を調整するのに必要な容積によっ て定められる。

オペレータ又は患者が使用するため、製品を出口導管１２５を介して取り出す。

次いで、第３図乃至第１０図に示す装置について使用した方法に関して主文中に 説明したのと同様にシステムをパージする。

主文中に説明した両実施例及び方法では、モータを特定の速度（第１１図乃至第 １７図の実施例では毎分１回転であり、第３図乃至第１０図の実施例では毎分２ 回転である）で作動させ、ロータシューの入口ポート及び排気ポートの大きさが 同じである場合には、サイクルは、各カラムを約１２．５秒間に亘って加圧し、 ２．５秒間に亘って均衡させ、１２．５秒間に亘って脱着し、再び均衡させると いうように行われる。このようなサイクルは、ロータンニーの吸気スロット及び 排気スロットの大きさが同じであり、同数のカラムを作動させる場合にだけ得る ことかできる。サイクルは、入口ポート及び排気ポートの夫々の大きさを変化さ せることによって所望の通りに変更できる。これは、従来技術の機構では実現で きなかった望ましい特徴である。

ロータかロータプレート上で回転するとき、このサイクルは各カラムについて順 次連続的に行われる。この作動モードは、製品の流れを比較的一定にし、多数の カラムについて改善し、減圧調整器の必要をなくす。製品の平均出口圧力はほぼ 一定であり、従来技術の分別器の調整済送出圧力の約二倍である。

本発明の幾つかの他の利点を以下に概述する。多数の比較的小径のカラムを使用 するため、効果的な吸着分離について重要な、長さ：直径比が大きい場合でも、 カラムの長さを短くできる。多数のカラム及び回転分配器弁のため、コンプレッ サー及び他の構成要素を通る準定常状態のガス流が得られ、これによって、多く の利点が得られ、システムが簡略化される。本発明は、サイクルの吸着相に要す る時間と脱着相に要する時間が等しくなくてもよくすることによって、吸着サイ クルを最適にできる。従来技術の２チヤンバシステムは本質的に二つの時間に分 けられる。

本発明の別の大きな利点は、従来技術では必要であった多くの構成要素をなくす ことによって小型軽量化し且つ保守の回数を少なくし、これに伴って外来患者に とっての信頼性及び操作性を高めるということである。なくされた構成要素には 、 空気受は即ちサージタンク、 ４個乃至５個のソレノイド弁（又は四方弁及び一つの三方ソレノイド弁）、 ソレノイド弁用の電気式又は電子式のシーケンス制御装置、 減圧調整器、及び ほぼ全ての連結配管及び継手、が含まれる。

はぼ全ての「配管」を無くすことによって小型軽量化し、システムで漏れが起こ る危険を小さくし、製造費用を低くする。

二の実施例で使用した吸着材は合成ゼオライトであるが、利用できる有用な吸着 材は他にも沢山ある。従って、本発明はその使用に限定されるものと解釈される べきてはない。回転分配器の概念を使用したけれども、本発明の精神及び範囲内 の多くの他の形体が可能であるということは当業者には理解されよう。

酸素（出） 空気（入） 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）″″５６５６年８２９１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．加圧相及び脱着相を持つ圧力スイング分子吸着により流体混合物を分別する ための装置において、ａ．先端及び基端を各々備え、内部に通された流体混合物 を分別するための分子吸着材を収容した第１、第２、及び第３の複数の吸着器カ ラムであって、前記分別は、前記混合物を前記複数のカラムの一つを通過して前 記加圧相中にこのカラムから精製済み部分として出る部分と、前記複数のカラム のうちの別のカラムに通過され、前記脱着相中に前記吸着材によって保持された 部分として保持される部分とに分離することによって行われる、吸着器カラムと 、 ｂ．前記精製済み部分を受け入れてこれを貯蔵するための手段及び前記精製済み 部分の第１部分を取り出すための流体出口ポートを有する、前記カラムの先端を 取り囲むチャンバ手段と、 ｃ．分配器弁組立体とを有し、該分配器弁組立体は、ｉ．前記流体混合物を受け 入れ、前記保持された部分をパージするための流体チャンネルを持つ流体マニホ ールドと、 ｉｉ．前記カラムと流体連通した第１、第２、及び第３の複数の開口部を持ち、 流体を実質的に連続的に流すための一体の入口チャンネルを更に有する不動のポ ートプレートと、 ｉｉｉ．前記マニホールドと流体連通した回転自在の分配器手段とを有し、該分 配器手段は、 （１）同心部分及び傷心部分を持つロータシャフトと、（２）前記一体の入口チ ャンネルと流体連通し且つ前記チャンネルを中心として軸線方向に対称な少なく とも二つの入口ポートを持つロータシューであって、前記入口ポートは、前記ロ ータシューが前記対をなした入口ポートを前記ポートプレートの前記第１の複数 の開口部上で回転させたときに前記第１の複数のカラムを順次加圧し、前記ロー タシューは、前記一体の入口チャンネルを中心として軸線方向に対称な少なくと も二つの排気ポートを有し、これらの排気ポートは、前記ロータが前記排気ポー トを前記ポートプレートの前記第２の複数の開口部上で回転させたとき、前記保 持された部分を含む前記第２の複数のカラムの各々から出る還流流体を順次及び 同時に排気し、前記ロータシューは、更に、加圧相と脱着相との間の移行部にあ る前記第３の複数のカラムの二つ又はそれ以上のカラムを連結し、圧力を迅速に 均衡させるため、二つのポートを各々備えた少なくとも二つの横ポートチャンネ ルを有する、ロータシューとを有し、ｄ．前記回転自在の分配器手段を回転させ るための手段を更に有する、装置。 ２．前記ロータシューの前記入口ポートは、前記排気ポートと同じ大きさである 、請求項１に記載の流体混合物を分別するための装置。 ３．前記ロータシューの前記入口ポートは、前記排気ポートと大きさが異なる、 請求項１に記載の流体混合物を分別するための装置。 ４．前記ポートプレートの前記開口部は、非円形形状である、請求項１に記載の 流体混合物を分別するための装置。 ５．前記カラムは、長さの直径に対する比が大きい、請求項１乃至４のうちのい ずれか一項に記載の流体混合物を分別するための装置。 ６．前記カラムは、還流圧力を下げるための手段を有する、請求項１乃至５のう ちのいずれか一項に記載の流体混合物を分別するための装置。 ７．前記還流圧力を下げるための手段は、各カラムの前記回転分配器弁とは反対 側の端に設けられた小さなオリフィスからなる、請求項６に記載の流体混合物を 分別するための装置。 ８．前記カラムは、前記オリフィスとは反対側の端が機械的シール手段でシール されている、請求項７に記載の流体混合物を分別するための装置。 ９．前記分配器弁組立体は、ベアリングハウジング内に収容されており、該ハウ ジングは、少なくとも部分的に音響減衰材料で裏打ちされている、請求項１乃至 ８のうちのいずれか一項に記載の流体混合物を分別するための装置。 １０．前記分配器弁組立体及びベアリングハウジングは、密封されたマフラーハ ウジング内に収容されており、該ハウジングは、少なくとも部分的に音響減衰材 料で裏打ちされている、請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の流体混合 物を分別するための装置。 １１．圧縮ばねが前記ロータシャフトと前記ロータシューとの間に配置されてい る、請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の流体混合物を分別するため の装置。 １２．前記流体混合物は、空気である、請求項１乃至１１のうちのいずれか一項 に記載の流体混合物を分別するための装置。 １３．前記流体マニホールドは、積み重ねられて流体チャンネルを形成する一つ 以上の材料層から形成されている、請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記 載の流体混合物を分別するための装置。 １４．前記マニホールドは、ダイ成形及び穿孔されて流体チャンネルを形成する 、請求項１３に記載の流体混合物を分別するための装置。 １５．前記マニホールドは、エンボス加工が施されて流体チャンネルを形成する 、請求項１３に記載の流体混合物を分別するための装置。 １６．前記ロータシャフトは、前記ロータシュー内に着座し、このシュー内に回 転自在に保持され、圧力バランス式シールを形成する、請求項１乃至１５のうち のいずれか一項に記載の流体混合物を分別するための装置。 １７．加圧相及び脱着相を持つ圧力スイング吸着によって、流体混合物の流れか ら特定の流体の流体成分を除去し、又は単一の流体の流れから汚染物成分を除去 するための方法において、 ａ．基端及び先端を各々備えた第１、第２、及び第３の複数の吸着器カラムに取 り付けられた回転弁分配器に加圧流体混合物を入れる工程を有し、 ｂ．前記回転弁分配器は、 ｉ．前記吸着相前に前記流体混合物を受け入れ、前記脱着相後に前記流体混合物 の一部をパージするための流体チャンネルを持つ流体マニホールドと、ｉｉ．前 記第１及び第２の複数の吸着器カラムと流体連通した第１及び第２の複数の開口 部を有し、流体を実質的に連続的に流すための一体の入口チャンネルを更に有す る不動のポートプレートと、 ｉｉｉ．前記マニホールドと流体連通した回転自在の分配器手段とを有し、該分 配器手段は、同心に形成した部分及び偏心に形成した部分を持つロータシャフト と、前記一体の入口チャンネルと流体連通し且つ前記チャンネルを中心として軸 線方向に対称な少なくとも二つの入口ポートを持つロータシューであって、前記 入口ポートは、前記ロータシューが前記対をなした入口ポートを前記ポートプレ ートの前記第１の複数の開口部上で回転させたときに前記第１の複数のカラムを 順次加圧し、前記ロータシューは、前記一体の入口チャンネルを中心として軸線 方向に対称な少なくとも二つの排気ポートを有し、これらの排気ポートは、前記 ロータが前記排気ポートを前記ポートプレートの前記第２の複数の開口部上で回 転させたとき、前記保持された部分を含む前記第２の複数のカラムの各々から出 る還流流体を順次及び同時に排気し、前記ロータシューは、更に、加圧相と脱着 相との間の移行部にある前記第３の複数のカラムの二つ又はそれ以上のカラムを 連結し、圧力を迅速に均衡させるため、二つのポートを各々備えた少なくとも二 つの横ポートチャンネルを有する、ロータシューとを有し、ｃ．流体又は除去さ れるべき汚染物について選択的な吸着材が詰め込まれた、前記流体又は汚染物を 保持し且つ所望の製品流体を前記カラムの先端に取り付けられた製品タンクに通 す前記第１の複数のカラムのうちの一つ又はそれ以上に前記加圧流体混合物を前 記回転弁分配器の回転部材で順次分配する工程と、 ｄ．これと同時に、前記第２の複数のカラムのうちの一つ又はそれ以上の各々の 一端のオリフィスを通して製品流体の一部を進入させ、反対端を通して出すこと によってこれらのカラムを低圧で還流する工程と、ｅ．これと同時に、精製済の 製品流体を所望のときに前記製品タンクから取り出す工程とを有する、方法。 １８．前記ロータシューの前記入口ポートは、前記排気ポートと同じ大きさであ る、請求項１７に記載の流体混合物を分別するための方法。 １９．前記ロータシューの前記入口ポートは、前記排気ポートと大きさが異なる 、請求項１７に記載の流体混合物を分別するための方法。 ２０．前記ポートプレートの前記開口部は、非円形形状である、請求項１７に記 載の流体混合物を分別するための方法。 ２１．前記カラムは、長さの直径に対する比が大きい、請求項１７乃至２０のう ちのいずれか一項に記載の流体混合物を分別するための方法。 ２２．前記カラムは、還流圧力を下げるための手段を有する、請求項１７乃至２ １のうちのいずれか一項に記載の流体混合物を分別するための方法。 ２３．前記分配器弁組立体は、ベアリングハウジング内に収容されており、該ハ ウジングは、少なくとも部分的に音響減衰材料で裏打ちされている、請求項１７ 乃至２２のうちのいずれか一項に記載の流体混合物を分別するための方法。 ２４．前記分配器弁組立体及びベアリングハウジングは、密封されたマフラーハ ウジング内に収容されており、該ハウジングは、少なくとも部分的に音響減衰材 料で裏打ちされている、請求項１７乃至２２のうちのいずれか一項に記載の流体 混合物を分別するための方法。 ２５．前記流体マニホールドは、積み重ねられて流体チャンネルを形成する一つ 以上の材料層から形成されている、請求項１７乃至２２のうちのいずれか一項に 記載の流体混合物を分別するための方法。 ２６．前記マニホールドは、ダイ成形及び穿孔されて流体チャンネルを形成する 、請求項２５に記載の流体混合物を分別するための方法。 ２７．前記マニホールドは、エンボス加工が施されて流体チャンネルを形成する 、請求項２５に記載の流体混合物を分別するための方法。 ２８．前記ロータシャフトは、前記ロータシュー内に着座し、このシュー内に回 転自在に保持され、圧力バランス式シールを形成する、請求項１７乃至２７のう ちのいずれか一項に記載の流体混合物を分別するための方法。 ２９．加圧相及び脱着相を持つ圧力スイング分子吸着により流体混合物を分別す るための装置において、ａ．内部に通された流体混合物を分別するための分子吸 着材を収容した第１、第２、及び第３の複数の吸着器カラムであって、前記分別 は、前記混合物を前記複数のカラムの一つを通過して前記加圧相中にこのカラム から精製済み部分として出る部分と、前記複数のカラムのうちの別のカラムに通 過され、前記脱着相中に前記吸着材によって保持された部分として保持される部 分とに分離することによって行われる、吸着器カラムと、ｂ．前記精製済み部分 を受け入れてこれを貯蔵するための手段、及び前記精製済み部分の第１部分を取 り出すための流体出口ポートを有する、前記カラムを収容するチャンバ手段と、 ｃ．分配器弁組立体とを有し、該分配器弁組立体は、ｉ．前記流体混合物を受け 入れ、前記保持された部分をパージするための流体マニホールドと、ｉｉ．前記 カラムと流体連通した第１、第２、及び第３の複数の開口部を持ち、流体を実質 的に連続的に流すための一体の入口チャンネルを更に有する不動のポートプレー トと、 ｉｉｉ．前記マニホールドと流体連通した回転自在の分配器手段とを有し、該分 配器手段は、 ロータ及びロータシューからなり、該ロータシューは、前記ロータシューによっ て前記ポートプレートの前記第１の複数の開口部上で回転されたときに前記第１ の複数のカラムを順次加圧する円弧状の分配ポートと、前記ロータによって前記 ポートプレートの前記第２の複数の開口部上で回転されたときに、前記保持され た部分を含む前記第２の複数のカラムの各々から出る還流流体を順次及び同時に 排気する円弧状の排気ポートと、加圧相と脱着相の間の移行部にある前記第３の 複数のカラムの二つのカラムを連結し、圧力を迅速に均衡させるため、二つの円 弧状ポート間に各々配置された二つのポートを有する横ポートチャンネルと、保 持された部分を含む流体を実質的に連続的に排気するための一体の排気チャンネ ルとを有し、 ｄ．前記回転自在の分配器手段を回転させるための手段を更に有する、装置。 ３０．前記複数の吸着器カラムの前記各々には、二つ又はそれ以上のカラムが含 まれる、請求項２９に記載の流体混合物を分別するための装置。 ３１．前記カラムは、長さの直径に対する比が大きい、請求項２９に記載の流体 混合物を分別するための装置。 ３２．前記カラムは、還流圧力を下げるための手段を有する、請求項２９に記載 の流体混合物を分別するための装置。 ３３．前記還流圧力を下げるための手段は、各カラムの前記分配器弁マニホール ドヘの前記連結部とは反対側の端に設けられた小さなオリフィスからなる、請求 項３２に記載の流体混合物を分別するための装置。 ３４．前記カラムは、前記オリフィスとは反対側の端が機械的シール手段でシー ルされている、請求項３３に記載の流体混合物を分別するための装置。 ３５．前記カラムには、吸着材を圧縮された状態に保つためのばねが入っている 、請求項２９に記載の流体混合物を分別するための装置。 ３６．前記流体混合物は、空気である、請求項２９に記載の流体混合物を分別す るための装置。 ３７．前記チャンバ手段は、一端が閉鎖されており、他端が前記分配器弁組立体 でシールされている、請求項２９に記載の流体混合物を分別するための装置。 ３８．前記チャンバは、前記精製済み部分を取り出すための出口ポートを前記流 体マニホールドに有する、請求項２９に記載の流体混合物を分別するための装置 。 ３９．加圧相及び脱着相を持つ圧力スイング吸着によって、流体混合物の流れか ら特定の流体の流体成分を除去し、又は単一の流体の流れから汚染物成分を除去 するための方法において、 ａ．回転弁分配器に加圧流体混合物を入れる工程を有し、ｂ．前記回転弁分配器 は、 ｉ．前記流体混合物を受け入れ、前記汚染物成分をパージするための流体マニホ ールドと、 ｉｉ．第１、第２、及び第３の複数のカラムと流体連通した第１、第２、及び第 ３の複数の開口部を持ち、流体を実質的に連続的に流すための一体の入口チャン ネルを更に有する不動のポートプレートと、 ｉｉｉ．前記マニホールドと流体連通した回転自在の分配器手段とを有し、該分 配器手段は、ロータ及びロータシューからなり、該ロータシューは、前記ロータ シューによって前記ポートプレートの前記第１の複数の開口部上で回転されたと きに前記第１の複数のカラムを順次加圧する円弧状の分配ポートと、前記ロータ によって前記ポートプレートの前記第２の複数の開口部上で回転されたときに、 汚染物成分を含む前記第２の複数のカラムの各々から出る流体を順次及び同時に 排気する円弧状の排気ポートと、加圧相と脱着相の間の移行部にある前記第３の 複数のカラムの二つのカラムを連結し、圧力を迅速に均衡させるため、二つの円 弧状ポート間に各々配置された二つのポートを有する横ポートチャンネルと、汚 染物成分を含む流体を実質的に連続的に排気するための一体の排気チャンネルと を有し、 ｃ．流体又は除去されるべき汚染物について選択的な吸着材が詰め込まれた、前 記流体又は汚染物を保持し且つ所望の製品流体を通す前記第１の複数のカラムの うちの一つ又はそれ以上に前記加圧流体混合物を前記回転弁分配器の回転部材で 順次分配する工程と、ｄ．これと同時に、前記第２の複数のカラムのうちの一つ 又はそれ以上の各々の一端にあるオリフィスを通して製品流体の一部を進入させ 、反対端を通して大気中に放出することによってこれらのカラムを低圧で還流す る工程と、 ８．これと同時に、精製済の製品流体を所望のときに取り出す工程とを有する、 方法。 ４０．工程ｃでの前記吸着材はゼオライトである、請求項３９に記載の流体混合 物の流れから特定の流体の流体成分を除去し、又は単一の流体の流れから汚染物 成分を除去するための方法。 ４１．前記複数のカラムの各々には、二つ又はそれ以上のカラムが含まれる、請 求項４０に記載の流体混合物の流れから特定の流体の流体成分を除去し、又は単 一の流体の流れから汚染物成分を除去するための方法。